(57)【要約】【課題】  全長が衝撃エネルギー吸収のための有効変位部分となることのできる衝撃吸収性能を得る。【解決手段】  上面部３と外周壁部２とを有し断面が中空である車両用衝撃吸収部材１において、外周壁部２は平板状であり、上面部３と外周壁部２をつなぐＲ部４の形状が、Ｒ部の曲率半径をＲ、その材料の破断歪をε、板厚をｔとしたときに、Ｒ≦５ｔ／εの関係を満たし、物体との衝突が上面部で行われることを特徴とする。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面部と外周壁部とを有し断面が中空である車両用衝撃吸収部材であって、外周壁部は平板状であり、上面部と外周壁部をつなぐＲ部の形状が、Ｒ部の曲率半径をＲ、その材料の破断歪をε、板厚をｔとしたときに、Ｒ≦５ｔ／εの関係を満たし、物体との衝突が上面部で行われることを特徴とする車両用衝撃吸収部材。
【請求項２】
素材が破断歪みεが０．０１〜０．５の範囲の材料であることを特徴とする請求項１に記載の車両用衝撃吸収部材。
【請求項３】
素材がアルミニウム合金またはマグネシウム合金であることを特徴とする請求項１に記載の車両用衝撃吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、車両のバンパーなどに好適に用いられる車両用衝撃吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車両には、他の物体と衝突したときの衝撃エネルギーを効果的に吸収して、搭乗者と共に高価な部品や機能部品を保護するための手段が種々施されており、バンパーもその一つである。特許文献１（特開２０００−７９８５６号公報）には、図８に示すように、アルミニウム合金の押出成形材である筒状基部５０と、筒状基部５０の内部空間に配置した弾性発泡体５１と、筒状基部５０に一体的に設けられて筒状基部５０との間に空洞部５２を形成すると共に、衝撃入力方向に沿って波打ち状に延びる側壁５３を有する軽衝撃吸収部５４とからなる、バンパーが記載されている。このバンパーでは、波打ち状に延びる側壁５３の変形と弾性発泡体５１によって衝撃エネルギーは効果的に吸収される。
【０００３】
特許文献２（特開２０００−６２５５１号公報）には、バンパーと車体フレームとの間に介在させるクラッシュボックス（衝撃吸収材）として、図９ａに示すように、アルミニウム合金押出形材からなる中空断面構造を有する筒状角型のクラッシュボックス６０が記載されており、衝突時には、図９ｂに示すように、クラッシュボックス６０の側壁が規則的座屈６１により変形して潰れて衝撃エネルギーを効果的に吸収する。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−７９８５６号公報
【特許文献２】特開２０００−６２５５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１、２に記載されるように、現在車両等では、衝撃吸収部材として、アルミニウム合金などで作られた中空部材を用い、その形状変化（潰れ等による変位）により衝撃エネルギーを吸収するようにしたものが多く採用されている。図１０ａはこのような衝撃吸収部材における変位−荷重線図を、図１０ｂは衝撃吸収部材の変位前の状態（長さＨｏ）を、図１０ｃは衝撃荷重を受けて変位した後の状態（長さｈ）を模式的に示している。
【０００６】
理想的な衝撃吸収部材は、図１０ａの実線で示すように、初期に荷重が急激に立ち上がり、その後ある一定荷重で衝撃吸収部材の破壊あるいは変形が生じ、衝撃吸収材料を潰しきるまでその一定荷重が持続する（有効変位Ｈが衝撃吸収材料の初期長さＨｏにほぼ等しい）、いわゆる矩形波が望まれる。
【０００７】
しかし、現在使用されている衝撃吸収部材は、主に延性破壊による破壊あるいは変形であり、図１０ｃに示すように、折り畳まれた外周壁部に最終的に潰れ残り（距離ｈ）が生じる。そのために、衝撃吸収部材の有効変位Ｈは、初期長さＨｏから潰れ残りｈを引いた距離となり、この有効変位後に、いわゆる底づき現象が起こって急激に荷重が上昇し、許容荷重を早期に越えてしまう。
【０００８】
すなわち、現在使用されている車両用の衝撃吸収部材は全長Ｈｏに対する有効変位Ｈが短いという不都合があり、実機においては、所要となるエネルギーを吸収するのに、衝撃吸収部材の長さを「延性破壊変位（有効変位Ｈ）＋潰れ残り量ｈ」を見込んで設計することが必要となることから、コスト高と質量増を招いている。また、衝撃吸収部材の長さが必要以上に長いと、限られた車両スペースの中では、意匠自由度の制約を受ける不都合もある。
【０００９】
本発明は上記のような事情に鑑みてなされたものであり、車両用衝撃吸収部材において、実質的にその全長を衝撃吸収時の有効変位領域とすることにより、従来のものよりも全長が短いものであっても、同じ衝撃吸収性能を奏することができるようにした、改良された車両用衝撃吸収部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による車両用衝撃吸収部材は、上面部と外周壁部とを有し断面が中空である車両用衝撃吸収部材であって、外周壁部は平板状であり、上面部と外周壁部をつなぐＲ部の形状が、Ｒ部の曲率半径をＲ、その材料の破断歪をε、板厚をｔとしたときに、Ｒ≦５ｔ／εの関係を満たし、物体との衝突が上面部で行われることを特徴とする。
【００１１】
本発明による車両用衝撃吸収部材において、上面部に実質的に垂直に衝突による荷重が作用すると、上面部と外周壁部をつなぐＲ部が外側に膨らみ、Ｒ部は脆性破壊により破断する。その後さらに荷重が加わると、Ｒ部で破断した上面部は、側壁面を外側に押し開くようにして、側壁部を下降していく。この下降により、側壁部は脆性破壊しながら外側に花弁状に展開し、脆性破壊の過程で衝撃エネルギーは効果的に吸収されると共に、その展開は最下端位置まで達する。
【００１２】
そのために、実質的に全長Ｈｏが衝撃エネルギー吸収のための有効変位部分Ｈとなることができ、従来のものよりも全長が短いものであっても、同じ衝撃吸収性能を奏することができる。全長が短いことから、コストと共に質量も低減し、車両スペースでの意匠自由度も大きくなる。
【００１３】
本発明の車両用衝撃吸収部材において、Ｒ≦５ｔ／εの関係は次のようにして導かれる。図１ａは車両用衝撃吸収部材の一例を示す全体図であり、図１ｂは図１ａのＡ−Ａ線による断面図である。この例において、車両用衝撃吸収部材１は、水平断面四角形である外周壁部２とその上端側を閉鎖する上面部３とで構成されており、平板状である外周壁部２と上面部３とはＲ部４によりつながれている。今、Ｒ部の端点をＢ点（上面部側）とＣ点（外周壁部側）とする。衝撃荷重は上面部３で受け止められ、上面部３は下方に押されるが、外周壁部２は衝撃方向に垂直なために変形されにくい。そのために、図２に示すように、Ｂ点は真下への移動点、Ｃ点は固定点と考えることができる。
【００１４】
変形前のＲ部の曲率半径をＲ、変形後のｒ部の曲率半径をｒとして、ｒを計算する。Ｂ点〜Ｃ点の距離＝変形後のＢ’点〜Ｃ’点であり、
１／４・２πＲ＝Ｒ＋ｒ＋３／４・２πｒ  から、
ｒ≒０．１Ｒ・・・・・・式（１）
【００１５】
変形後のｒ部拡大図を図３に示す。板厚ｔの中心線をＤ点〜Ｅ点とする。外側面はＤ’点〜Ｅ’点に伸ばされる。
Ｄ点  〜Ｅ点  の寸法＝１／２・２πｒ＝πｒ
Ｄ’点〜Ｅ’点の寸法＝１／２・２π（ｒ＋ｔ／２）＝πｒ＋π／２・ｔ
破断歪みεは、
ε＝π／２・ｔ／πｒ＝ｔ／２ｒ
式（１）を代入すると、
ε＝ｔ／２ｔ×０．１Ｒ＝５ｔ／Ｒ
よって、Ｒ＝５ｔ／εの関係式が成り立つので、Ｒ≦５ｔ／εである場合に、Ｒ部での破断が生じることがわかる。
【００１６】
より具体的には、例えば代表的なマグネシウム合金の場合に、破断歪みε＝０．１であり、Ｒ≦５ｔ／εに代入すると、Ｒ≦５０ｔ、すなわち、板厚ｔの５０倍以下の曲率半径ＲでＲ部の形状を構成することにより、その車両用衝撃吸収部材は、初期の目的を達成できることがわかる。
【００１７】
また、代表的なアルミニウム合金の場合に、破断歪みε＝０．１５であり、Ｒ≦５ｔ／εに代入すると、Ｒ≦３３ｔ、すなわち、板厚ｔの３３倍以下の曲率半径ＲでＲ部の形状を構成することにより、その車両用衝撃吸収部材は、初期の目的を達成できることがわかる。
【００１８】
また、代表的な鋼の場合に、破断歪みε＝０．５であり、Ｒ≦５ｔ／εに代入すると、Ｒ≦１０ｔ、すなわち、板厚ｔの１０倍以下の曲率半径ＲでＲ部の形状を構成することにより、その車両用衝撃吸収部材は、初期の目的を達成できることがわかる。
【００１９】
一方、車両用衝撃吸収部材は、成形時に巻き込みしわ等が生じないように、通常、Ｒ部の曲率半径として、Ｒ＝２ｔ以上の曲率半径Ｒが必要とされる。それらの関係をグラフで示したのが、図４である。図４に示すように、破断歪みの小さい材料ほど、成形時の限界値（Ｒ＝２ｔの直線）からの自由度（有効範囲）が広くなり、鋼のように破断歪みの大きな材料は、相当に狭くなる。従って、本発明において、車両用衝撃吸収部材の素材として破断歪みの小さい材料を用いることが望ましく、例えば、マグネシウム合金やアルミニウム合金等は好ましい材料である。しかし、破断歪みの値が０．０１未満のものは、成形時に割れが生じる恐れがあり好ましくない。また、破断歪みが０．５を越えるものは前記鋼のように脆性破壊の自由度が狭くなり好ましくない。
より具体的には、表１に示すような材料を挙げることができる。
【００２０】
【表１】
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【００２１】
本発明において、車両用衝撃吸収部材の全体の大きさおよび板厚ｔは、従来の車両用衝撃吸収部材において採用されていると同じ条件により、その使用箇所や求められる衝撃吸収性能などに応じて、適宜定めればよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明による車両用衝撃吸収材では、その全長が衝撃エネルギー吸収のための有効変位部分となる。そのために、従来のものよりも全長を短くしても、同じ衝撃吸収性能を奏することができる。全長が短いことから、コストも質量も低減し、車両スペースでの意匠自由度も大きくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図５は本発明による車両用衝撃吸収部材１を使用する一例として、自動車のバンパー部分を示している。この車両用衝撃吸収部材１は、先に図１に基づき説明したものと同じ形状であり、水平断面四角形である外周壁部２とその上端側を閉鎖する上面部３とで構成されており、平板状である外周壁部２と上面部３とが前記したＲ部４によりつながれている。
【００２４】
この例において、車両用衝撃吸収部材１はクラッシュボックスとして機能しており、前端すなわち上面部３にバンパー１０をボルト５により留め付けると共に、後端に設けたフランジ７を自動車のフロントサイドメンバ８の先端にボルト９で留め付けている。
【００２５】
衝突体との衝突によりバンパー１０が衝撃を受けると、バンパー１０が変形して衝撃を部分的に吸収する。さらに衝撃はクラッシュボックスとして機能する車両用衝撃吸収部材１に伝わり、上記したようにして車両用衝撃吸収部材１が破壊（変位）することにより衝撃エネルギーは効果的に吸収される。それより搭乗員および高価な部品や機能部品の保護が図られる。
【００２６】
すなわち、前記したように、衝突初期には衝撃荷重は図６ａに示すように上端面３で荷重を受ける。上端面３は、図６で下方に押されるが、外周壁部２は衝撃方向に相対するため変形されにくい。そのために、Ｒ部４は外側にたわんで変形する。この際、鋼のような延性材料であれば、外周壁部２が徐々に折り畳まれ、延性破壊に進展するが、マグネシウム合金やアルミニウム合金のような脆性材料を用いる場合は、破断歪みεが鋼に比べて極端に小さいので、ある時点で破断限界以上の歪みにより、図６ｂに×で示すように、たわんだＲ部の破壊（破断）が発生する。なお、このような破壊（破断）が生じる条件として、前記したように上面部３と外周壁部２をつなぐＲ部４の形状が、Ｒ部の曲率半径をＲ、材料の破断歪をε、板厚をｔとしたときに、Ｒ≦５ｔ／εの関係を満たし、物体（衝突体）との衝突が上面部３で行われることが要件となる。
【００２７】
その後、図６ｃに示すように、破断した上面部３が外側にめくれた外周壁部２を下方向に押していくことにより、外周壁部２は外側にめくれながら破壊が進展する。その破壊は外周壁部２の最下端まで達することができるので、衝撃方向の潰れ残り量はほぼ０となる。すなわち、外周壁部２の全長が衝撃吸収のための有効長さとして機能する。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明を実施例と比較例により説明する。
［実施例１、２］
図１に示す上方が閉鎖した中空正４角柱形状の衝撃吸収体を、破断歪みεが０．１５であるアルミ合金（実施例１）、および破断歪みεが０．１であるマグネシウム合金（実施例２）により作成して衝撃試験を行い、変位−荷重線図を求めた。その結果を図７に示す。なお、各衝撃吸収体は、全長は７０ｍｍ、外周壁部の外側間の距離は６７ｍｍ、上面部と外周壁部とＲ部の厚みｔはすべて１ｍｍとした。また、Ｒ部のＲ（曲率半径）は１０ｍｍとした。実施例１と２において、Ｒ≦５ｔ／εの条件は満足している。
【００２９】
［比較例１］
材料として、破断歪みεが０．６である鋼材を用いた以外は実施例と同じ形状の衝撃吸収体を作り、実施例の同じ条件で衝撃試験を行い、変位−荷重線図を求めた。その結果を図７に示す。この衝撃吸収体はＲ≦５ｔ／εの条件は満足していない。
【００３０】
［評価］
図７のグラフに示すように、実施例品１と２は、衝撃荷重を吸収する有効長さは６６ｍｍ程度とほぼ全長にわたっている。しかし、比較例品では、５０ｍｍを越えたところで急激な荷重の上昇が起こっており、有効長さは実施例品と比較して短い。これは、比較例品ではＲ≦５ｔ／εの条件は満足していないために、衝撃荷重の吸収は主に延性破壊による破壊あるいは変形で行われ、結果として生じた折り畳まれた外周壁部が最終的に潰れ残り（距離１０〜２０ｍｍ程度）として残っていることによる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１ａは本発明による車両用衝撃吸収部材の一例を示す全体図、図１ｂは図１ａのＡ−Ａ線による断面図。
【図２】車両用衝撃吸収部材が衝撃により変形する態様を説明するための図。
【図３】変形後のＲ部を説明する拡大図。
【図４】本発明による車両用衝撃吸収部材におけるＲ部と板厚との関係を示すグラフ。
【図５】本発明による車両用衝撃吸収部材を採用したバンパー部分を示す分解図。
【図６】本発明による車両用衝撃吸収部材が衝撃を受けて破壊（変形）する状態を説明するための模式図。
【図７】実施例品と比較例品での変位−荷重線図を示すグラフ。
【図８】従来の衝撃吸収部材の要部を示す断面図。
【図９】従来の他の衝撃吸収部材を示し、図９ａは変形前、図９ｂは変形後の状態を示す要部斜視図。
【図１０】従来の衝撃吸収部材における変位−荷重線図（図１０ａ）と、その変位前の状態（図１０ｂ）と、変位後の状態（図１０ｃ）を示す図。
【符号の説明】
【００３２】
１…車両用衝撃吸収部材、２…外周壁部、３…上面部、４…Ｒ部、ε…破断歪み、ｔ…板厚、Ｒ…Ｒ部の曲率半径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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